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裂隙岩体地下工程稳定性发展趋势

2021-07-23   来源:岩石力学与工程学报   作者:陈卫忠

  国内外大量地下工程建设的实践表明,岩体中的不连续面对地下工程的建造与长期运行安全有重要影响,有时甚至是决定性的作用。

  

  裂隙岩体是水利水电、交通、能源、矿山等工程领域中常见的复杂地质体,由尺寸不一、形态复杂的不连续面组成。

  

  这些不连续面具有较低的抗拉、抗剪强度,国内外大量地下工程建设的实践表明,岩体中的不连续面对地下工程的建造与长期运行安全有重要影响,有时甚至是决定性的作用。例如,中国梅连山连拱坝渗水,法国Malpasset拱坝初次蓄水溃坝,意大利Vajont 拱坝上游库区滑坡,美国Teton 土坝溃坝等重大工程灾害,都是由于没有深入了解裂隙岩体的渗流应力耦合特性造成的。此外,地下工程突涌水、水库诱发地震等重大灾害均与裂隙岩体应力-渗流耦合作用有关。


美国提堂大坝溃决.jpg

1976年6月6日,美国提堂(Teton)大坝溃决

  

  裂隙岩体应力渗流耦合理论与数值方法是当前的研究热点。7月21日,中国科学院武汉岩土力学研究所陈卫忠研究员在《岩石力学与工程学报》发文《裂隙岩体地下工程稳定性发展趋势》,详细总结了国内外学者和自己团队在裂隙岩体力学特性的理论模型、室内试验、现场原位试验、数值仿真方法等方面的研究成果。最后提出了裂隙岩体地下工程稳定性研究的重点发展方向:

  

  (1) 室内试验针对小尺度岩样进行的,但是裂隙岩体往往存在尺寸效应。发展现场原位快速测试技术对于了解裂隙岩体力学特性至关重要。

  

  (2) 连续介质力学的数值仿真方法已经不能满足裂隙岩体工程稳定性分析的要求,应重点发展三维裂隙岩体建模技术及其网格剖分技术,尤其是实现精细化建模对于准确模拟实际工程的岩体结构有重要意义;另一方面,工程尺度的三维数值仿真计算量巨大,计算机内存消耗大,发展并行计算是未来的发展趋势

  

  (3) 裂隙岩体地下工程处于复杂的地质环境中,受高水压、高地温、高地应力、海洋腐蚀环境等多种耦合因素的影响,应加强裂隙岩体多场耦合特性的研究工作,为工程设计和施工提供理论支撑。

  

  (4) 天然岩体中存在的裂隙发生萌生、扩展和贯通是造成地下工程结构失稳的重要原因之一。目前发展的裂隙扩展仿真技术大多是基于单裂隙扩展的,且对宏观断裂现象研究较多,关于细观损伤到宏观断裂的这一跨尺度渐进破坏过程研究较少。因此,发展多裂隙扩展的宏细观渐进破坏数值仿真技术将是今后裂隙岩体数值仿真的前沿和热点方向,对裂隙岩体地下工程结构稳定性研究有重要意义。

  

  (5) 锚固是控制岩土工程结构失稳破坏的重要控制手段之一。今后锚固技术的发展方向将集中在以下两个方面:一方面,结合材料科学等交叉学科,研制高性能、高强度的锚固材料;另一方面,优化锚固结构,改善锚杆受力状态,减少杆体的应力集中效应,降低锚固结构发生失效的可能性。

  

裂隙岩体地下工程稳定性研究发展趋势_陈卫忠-11.jpg

  陈卫忠课题组制作的三维裂隙岩体模型


  裂隙岩体地下工程稳定性研究发展趋势_陈卫忠-12.jpg

  陈卫忠课题组研制的节理面应力渗流耦合剪切流变试验系统


  责任编辑:宫在芹

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